等压级联多电平逆变器的功率均衡控制方案

目前，关于 CHB 多电平逆变器功率均衡控制的研究方法主要有循环分配策略、随机分配策略和控制角调整策略三种。文献[44-46]分别利用等基波周期循环法、半基波周期循环法、控制周期循环法和错位等周期循环法分别实现了级联 CHB 逆变器各单元输出功率的均衡控制。其中错位等周期循环法是通过改变一相中各级联单元的控制脉冲宽度和循环次序，使得在两个控制周期切换时，所有功率器件不动作，当循环周期结束时，达到功率均衡。该策略相对于其他循环方法，实现功率均衡时可以大大减少开关动作次数，降低开关损耗，提高系统效率。但是上述各种循环法都只有当循环周期结束时，才能达到均衡控制，当级联的单元越多时，各单元达到功率均衡所需要的时间就越长，造成输入电容电压的波动也越大，因此，循环法一般比较适合于逆变器级联单元数较少的场合。

调整开关角度控制主要包括阶梯波调制、SHEPWM 和LS-PWM 功率均衡控制。文献[47]和文献[48]分别对传统CHB 逆变器和Ⅱ型不对称CHB 逆变器基频阶梯波调制下的功率均衡控制策略进行了相关研究。前者是以1/4 周期互换实现了各功率单元的输出功率均衡，后者揭示了Ⅱ型不对称 CHB 逆变器各单元输入平均功率与各单元输入电压成正比的规律，根据不同的开关模态建立了不同的功率均衡控制约束方程，并指出了Ⅲ不对称 CHB 逆变器因为没有开关状态冗余而无法实现功率均衡控制。总体来说，阶梯波调制具有控制简单、级联单元功率波动小等优点。但是该策略因为增加了约束方程，使得消谐方程数和所能消除的低频次谐波数也相应减少，这对基频控制的逆变器输出电压波形的质量有所影响，当消谐角度越少时，这种影响的程度就越大。而且该策略还存在调制度受限和调压困难的问题。当调制度较低时，采用该策略所建立的消谐非线性方程组将会出现无解的情况，这就需要对更低调制度下的工作模式进行分析，以建立新的功率均衡模式进行解决。

文献[49]提出了一种SHEPWM 功率均衡控制策略。该策略与阶梯波调制方法相似，也是通过分析 CHB 逆变器相电压冗余的特点，以互换各单元输出电压波形和增加 SHEPWM 约束方程的方式来实现功率均衡控制。由于SHEPWM 的开关频率是基频的若干倍，所能消除的低频次谐波数较多，因此所增加的约束方程对逆变器输出电压波形质量的影响较小，输出电压波形质量较高。文献[50]对LS-SPWM 功率均衡控制策略进行了相关研究。利用载波的多个控制自由度，分别以1/4 周期为单位和上下载波相邻间隔互换载波的方式改进各单元的输出电压波形，该策略输出电压的THD 基本保持不变，且方便调压调频。但是该策略只能实现各单元输出功率在一个周期内的近似均衡，其本质上属于一种简化的局部循环脉冲功率均衡控制策略。

1. SHEPWM 拆分法

CHB 逆变器电压波形如图1-11 所示。针对CHB 逆变器载波阶梯波调制SHEPWM 调制时存在的各级联单元输出功率不均衡的问题，传统SHEPWM开关角求解非线性方程组如式（1-2）和式（1-3）所示：

图1-11　CHB 逆变器电压波形

如果能够保证各级联单元输出电压基波幅值相等，那么在一个周期内就可以实现各级联单元输出功率均衡。因此，可以通过对基波幅值表达式进行等效拆分的方法来重新建立消谐模型以达到各级联单元输出功率保持均衡的控制目标。对于五电平CHB 多电平逆变器SHEPWM 功率均衡控制时所建立的消谐方程组如式（1-4）和式（1-5）所示：

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该策略利用CHB 逆变器相电压有冗余的特点，实现了各个串联H 桥单元在一个输出周期内的功率均衡。

2. 脉冲重构法

脉冲重构法的基本原理如图1-12 所示。

图1-12　脉冲重构功率均衡控制

为了使各H 桥单元输出功率均衡，我们调整H1 去补偿H5，调整H2 去补偿H4，如图1-12（b）所示。将H1 的输出电压改为[ α1，π - α5]，[π + α5，2π - α1]，H2 的输出电压改为[ α2，π - α4]，[π + α4，2π - α2]，H3 的电压不变，仍为[ α3，π - α3]，[π + α3，2π - α3]，H4 的输出电压改为[ α4，π - α2]，[π + α2，2π - α4]，H5 的输出电压改为[ α5，π - α1]，[π + α1，2π - α5]。通过脉冲重构的方法使得各级联单元工作时间相同，因此就能够实现各级联单元输出功率的均衡控制。

3. 载波互换法

一般说来，n 电平的逆变器载波调制，需要n-1 个三角载波。以APOD调制法为例，对于三单元 CHB 逆变器而言，需要六个三角载波均匀分布在基准正弦波的正负两个半周附近，其特点是上下相邻的两个三角载波相位相差180°。这种策略的本质都是在不影响输出电压波形质量的基础上，通过调整CHB 逆变器各个H 桥单元输出电压波形，使各级联单元输出电压的基波幅值相等，以实现各级联单元在一个输出周期内的功率均衡。